煤泥水处理技术研究正文 47页

'1引言1.1煤泥水处理的目的和意义目前煤炭分选的工艺和方法，绝大多数以水或水的混合物作为分选介质，如重介选、跳汰选、浮选等，通常入选It原煤要使用3〜5n?水⑴。随着机械化采煤量的增加，原煤中煤粉的含量也在增加。这些煤粉和其他杂质在分选过程屮悬浮于分选介质中成为煤泥水，其中除含有固体悬浮物外，还有因分选工艺的需要而添加的药剂、油类等。一个每小时入选千吨原煤的选煤厂，每小时要产生儿千立方米的煤泥水⑵。我国“三废”排放试行标准规定，选煤厂排放出厂的煤泥水中悬浮物含量不准超过O.4g/L（新建厂和改建厂不准超过O.3g/L）,pH值在6~9范围内，石油类不准超过10mg/L,挥发性酚不准超过0.5mg/L。选煤厂煤泥水处理或管理不好，不仅流失煤泥和水，还淤塞河道，污染环境。为此，选煤厂要尽量实现洗水闭路循环，杜绝排放污水。通常选煤厂原煤入厂水分低于产品出厂水分（水力采煤例外），即原煤带入选煤工艺中的水量小于产品带走的水量。因此，选煤过程中必须不断补充清水，生产才能正常进行。补充水量若大于产品带走的水量，则工艺屮多出的水必然向外排放，使得洗水不能全部闭路。当补充水量恰好等于产品带走的水量时，谓之洗水平衡，此时不向厂外排放煤泥水而生产又能止常进行。而这些煤泥水必须经过一定工艺的处理后才能够在选煤厂循环使用，以满足选煤厂各工艺环节对循环水的要求，或在必须外排时能满足国家环境保护法规的要求。采用工业上成熟的固液分离技术，从煤泥水中分离、回收不同品质的细粒产品和适合选煤厂循环的用水，做到洗水闭路循环；在煤泥水必须排放时能符合环境保护的排放要求，不污染环境。这些就是煤泥水处理的主要目的和任务⑶。1.2煤泥水性质煤泥水由煤和水组成，其性质既与煤的性质有关又与水的性质有关，并受它们之间相互关系的影响，影响因素主要有：煤泥水浓度、粘度、灰分、化学性质及煤泥的粒度组等，其中煤泥的粒度组成在很大程度上决定了煤泥水沉降过程的难易程度，且随着粒度变细及细粒含量的增多，将使颗粒的布朗运动加剧，煤泥水粘度增大，颗粒间表面电荷斥力作用明显，并使煤泥水具有某些胶体性质，从而 导致煤泥水很难自然澄清⑷。1.3煤泥水处理煤泥水处理主要是指煤炭在分选加工过程中产生的介质用水的处理技术。由于煤炭的分选加工过程一直主要是采用水作为分选介质的，故原先的选煤厂称为洗煤厂⑸。煤泥水处理和煤炭的洗选加工密切相关，它的发展变化也紧密伴随着煤炭分选加工的发展变化，只不过随着对选煤产品的要求愈加严格、选煤工艺的愈加复杂、选煤厂的大型化愈加明显，以及水资源的愈加珍贵和环境保护标准的愈加苛刻，煤泥水处理已经变成了整个选煤工艺中涉及面最广、投资最大、最复杂、最难管理的工艺环节⑹。在煤泥水处理过程中，煤泥水首先进入浓缩机，在重力的作用下固体颗粒逐渐沉降，进入浓缩机底流，初步澄清的水越过浓缩机溢流堰返回使用或进入二次浓缩进行深度净化后使用；浓缩机底流入压滤机进行固液分离，净化的滤液返冋使用，煤泥作为产品销售。在浓缩过程中，为了提高固体颗粒的沉降速度和溢流水的澄清度，通常在浓缩机中添加一定量的混凝剂。所以混凝剂的选择是煤泥水处理中最重要的环节，也是人们研究的热点，合理地选用混凝剂不但能收到良好的去除效果，而且能降低处理成木，对环境也能起到一定的保护作用⑺。随着选煤厂洗水闭路循环和环境保护要求的H益提高，煤泥水处理在选煤厂中变得越來越重要。近年來细粒煤分选设备得到很大发展，分选下限也越来越低，导致煤泥水的粒度组成发生了相应的变化，由于大量极细颗粒的存在，使得煤泥水处理起来越来越困难。尽管国内同行在工艺流程和设备上不断改进，这一难题仍困扰着选煤界。混凝剂的选择是煤泥水处理中最重要的环节，它直接影响着煤泥水的处理效果。利用加入化学药剂，使煤泥水中的悬浮物以较大颗粒或松散絮团的形式沉降分离的方法叫混凝处理，它是冃前煤泥水深度澄清的主要手段之一。采用无机混凝剂,如明矶、石灰等进行的混凝处理一-般称为凝聚；用高分子化合物，如聚丙烯酰胺等作混凝剂进行的混凝处理一般称为絮凝。为了取得更好的处理效果，常采用凝聚剂和絮凝试剂联合使用的方法。 1.4絮凝剂在水处理过程中的重要地位絮凝剂在用水与废水处理和牛产过程的固液分离中占有重要的地位。以水处理为例，首先，絮凝能有效脱除80%〜95%的悬浮物质和65%〜95%的胶体物质，对降低水屮COD值有重要作用；再者，絮凝对除去水屮的细菌、病毒效果稳定，通过絮凝净化，一般能把水中90%以上的微生物与病毒一并转入污泥，使处理水的进一步消毒、杀菌变得比较容易；此外，日益受到重视的水体富营养化、废水脱色等问题，采用无机絮凝剂比生物法除磷、脱色效果好；最后，污泥脱水是当今废（污）水处理的主要问题，迄今最可行的办法是投加适当的阳离子高分子絮凝剂，改善污泥性状，以便下一步机械脱水处理。值得注意的是，当代的无机混凝剂和有机高分子絮凝剂在逐步扩大其应用领域，如聚丙烯酰胺及其共聚物在洗涤剂、颜料分散剂、纸粘胶、造纸、超吸收剂等多种行业得到了应用。在水处理的应用实践中，国内外的水法冶金、石化、造纸、钢铁、纺织、卬染、食品、酿造等多种行业的废水处理，使用絮凝法的水处理比例约占55%〜75%,而自来水工业几乎100%使用絮凝法作为净水手段。由于絮凝法在水处理与污泥脱水中具有较明显的技术经济效益，国外高分子絮凝剂的牛产与消费近5年仍保持6.15%左右的年增长速度。我国无机絮凝剂和有机高分子絮凝剂大体维持在年均10%的增长速度。1.5目前国内外常用絮凝剂1.5.1无机低分子絮凝剂口前，国内处理煤泥水采用的混凝剂主要是铝盐，铁盐和含Ca?+的无机盐与聚丙烯酰胺（PAM）联合使用凶。当把含铝、铁、钙离子的无机盐加入到带负电荷的煤泥水胶态中时，根据DLVO理论，溶液中正离子浓度增加，扩散层中反离子浓度增加，在反离子静电斥力作用下，迫使扩散层中正离子挤进吸附层里去，于是§负电位被消除，胶体电荷被中和，胶体周围水化膜被减弱。从而，促进颗粒凝聚。PAM的架桥作用是多个颗粒联合起来形成絮团而沉降。此方法在国内多个选煤水已有应用。常见的有铝盐、铁盐、含C/+絮凝剂等［9】。1.5.2无机高分子絮凝剂 （1）聚合硫酸铁：聚铁是硫酸铁水解产物，产品中含有各种核瓮基络合物，这些多核络合物，在吸附煤泥水颗粒同时，中和颗粒表面负电荷，压缩颗粒双电层，降低g电位，破坏煤泥水胶体稳定性，促进颗粒絮凝沉淀［⑼。（2）聚硅硫酸盐：聚硅金属盐混凝剂是一种无机高分子混凝剂。它是由活性硅酸和金属盐复合而成。因此，它既有硅酸分子量高，吸附架桥能力强的特点，又具有金属较强电屮和能力。宋永会等用聚硅硫酸铁(PFSS)处理肥城矿务局杨庄煤矿废水，除浊效果好，只需加入20mg/L,就可使煤泥水浊度从580度降至10度以下。含铝离子的聚硅酸复合混凝剂(APSA)对煤泥水同样有良好处理效果，当投加量为8mg/L时，浊度从24度降至5.8度。再投加PAM可使矶花大而紧密，沉降速度加快［⑴。(3)聚合氯化铝铁:聚合氯化铝铁絮凝剂(PAFC)是一种新型无机高分子絮凝齐U。该絮凝剂既具有聚合铝盐碱基度高，对原水适应性强的特点，乂具有聚合铁分子量大，絮体沉降快的优点。当煤泥水中加入PAFC絮凝剂后，PAFC中高电荷的铝铁多核络合物充分发挥电中和作用，是带负电荷的煤泥胶体相互凝结成更人的胶团。由于PFAC分子量高，该絮凝剂的水解产物对脱稳的煤泥胶团和氢氧化铁微絮体具有良好的粘接架桥和网铺卷扫作用［切。铝盐混凝的使用潜在的问题是其对生物体的影响。已经发现，水中铝含量高于0.2—0.5mol/L,即可使鮭鱼致死【叫(4)聚氧硫酸根合高铁：聚氧硫酸根合高铁是以硫酸亚铁为原料，通过固相化学反应方法研制而成的新型铁系无机高分子净水剂。它溶于水后，生成聚铁阳离子,阳离子带有正电荷，能有效降低煤泥水颗粒表面的g电位，同吋吸附带负电的泥质颗粒，破坏悬浮液稳定性。它和PAM联合使用，使颗粒凝聚，沉降迅速。处理后水质较清，透光率可达到83%fl41o(5)无机高分子铁钙铝混凝剂：无机高分子铁钙铝混凝剂(PFCA)是在聚铁液体产品基础之上，通过概率等离子部分取代其中的Fe*离子，制备出的新型无机高分子混凝剂。PFCA秉承了聚铁电中和能力强，分子量较大的优点。同时，由于A1”的加入使它具有了铝盐的特点，Ca?+的加入增加了PFCA的电屮和能力，又增加了溶液的硬度，而提高水质硬度，可改善煤泥水特性，提高煤泥水处理效果。透射电镜分析表明，PFCA比PFS具有更大更致密的网状空间结构，说明它具有更大的分子量，具有卷扫网捕的作用。用PFCA处理煤泥水效果更好，同时可以节省PAM的用 量，具有其它无机混凝剂无法比拟的混凝效果［①。(3)一种新型无机高分子凝聚剂多铝硅酸盐氯化物(PASiC)：被轻基化的聚合氯化铝(PAC)与聚硅酸在Al/Si比率N5的条件下结合2h,可生成多铝硅酸盐氯化物(PASiC),用酸碱度滴定法方法检查Al(III)在PASiC的加水分解聚化过程。各种各样的实验方法比较PASiC与PAC的表现。结果显示，在水解铝和聚硅酸之间存在一定的相互作用，特别是在低碱度值，它可能在PASiC的化学结构，分子量分布，动电特征和絮凝产物中起一定的作用。在相同PH值条件下，当不同种类的带电铝和聚硅酸结合成带正电荷较少但分子量比对应的铝离子产品大时，复合体形成了。所以，在开发PASiC凝结剂时考虑其聚合效率和成效是十分必要的。总之，PASiC显示出较高的絮凝作用，在澄清和脱色方面都优于PAC〔⑹。(4)结团絮凝：结团絮凝工艺是日本一些水处理专家借鉴直接由悬浊液创造颗粒物的技术而提出的一种新的水处理技术。此工艺通过控制PAC,PAM投量，水流上升速度，搅拌转速，使煤泥水中的煤泥颗粒在设备中形成结构紧密的结团絮体，从而达到高效去除悬浮物的目的〔⑺。1.5.3有机高分子絮凝剂自1954年美国首先开发出商品聚丙烯酰胺絮凝剂以来，高分子絮凝剂的生产和应用一直发展较快。与无机絮凝剂相比，它用量少，絮凝速度快，受共存盐类、pH值及温度影响小，生成污泥量少而易处理，对节约用水、强化废(污)水处理和回用有重要作用。(1)阳离子聚季镀盐丙烯酰胺接枝共聚物：阳离子聚季鞍盐丙烯酰胺接枝共聚物(PQAAM)是一种高分子聚电解质。PQAAM在水中以离子存在它含有季镀离子，对胶体表面负电荷中和能力强。另外，絮凝剂分子量大，酰讓基与煤粒表面H・0形成氢键，增加了吸附架桥作用，有利于絮凝沉降〔冈。(2)MN・5絮凝剂：MN・5絮凝剂是以多胺类阳离子絮凝剂为主体的复配药剂。MN・5药剂不仅凭借其阳离子性中和煤泥表面负电荷，压缩煤泥表面双电层起絮凝作用。同时，多胺大分子链上的亚氨基(・NH・)与煤泥表面发生较强的氢键吸附而起架桥作用。MN・5与PAM联合使用处理淮北石台选煤厂煤泥水，浓缩机溢流浓度从60g/L降至0.3g/L,达到了洗水一级闭路标准卩％ (1)PAMAM树形分子：PAMAM树形分子是一种内部具有树枝状结构的球形分子，表面有很多氓出基团。伯胺基在酸性条件下带正电，能与煤泥水中带负电胶粒中和，压缩双电层，降低g电位，破坏胶体稳定性。・NH?基团有很强的配位络合作用，可与胶粒表面芳香基团络合，生成电中性物质，加速胶体凝聚。此外，树形分子具有大量空腔，在一系列次价键力作用下，与煤泥水胶粒发生吸附作用，提高处理效果。在对铁法小青矿煤泥水处理实验中效果优于传统方法，上清液分离率为53.6%,浊度降至4.43度〔2°】。1.5.4微生物絮凝剂微生物絮凝剂的研究者早就发现，一些微生物如酵母、细菌等有细胞絮凝现象,但一直未对其产生重视，仅是作为细胞富集的一种方法。近十儿年来，细胞絮凝术才作为一种简单、经济的生物产品分离技术在连续发酵及产品分离屮得到广泛的应用。微生物絮凝剂是利用生物技术，通过生物发酵、抽提、精制而得到的一种具有生物分解性和安全性的新型、高效、无毒的廉价的水处理剂。由于微生物絮凝剂可以克服无机高分子和合成有机高分子絮凝剂本身固有的缺陷，既可生物降解又安全可靠，最终实现无污染排放，因此越来越受到关注⑵〕。同时，微生物絮凝剂的研究工作已由提纯、改性进入到利用生物技术培育、筛选优良的菌种，以较低的成本获得高效的絮凝剂的研究，因此其研究范围已超越了传统的天然有机高分子絮凝剂的研究范畴。具有分泌絮凝剂能力的微牛物称为絮凝剂产生菌。最早的絮凝剂产生菌是Butterfield从活性污泥中筛选得到[22]O1976年，Nakamuraj.等人从霉菌、放线菌、酵母菌等菌种中，筛选出19种具有絮凝能力的微牛物，其中以酱油曲霉(Aspergillussouae)AJ7002产牛的絮凝剂效果最好㈡〕01985年,TakagiH等人研究了拟青霉素(Paecilomycessp.l・l)微生物产生的絮凝剂PFlOkPF101对枯草杆菌、大肠杆菌、啤洒酵母、血红细胞、活性污泥、纤维素粉、活性炭、硅藻土、氧化铝等有良好的絮凝效果。1986年,Kunme等人利用红平红球菌(Rhodococcuserythropolis)研制成功生物絮凝齐＞JNOC-1,对大肠杆菌、酵母、泥浆水、河水、粉煤灰水、活性碳粉水、膨胀污泥、纸浆废水等均有极好的絮凝和脫色效果0],是目前发现的最好的微生物絮凝剂。絮凝剂的分子质量、分子结构与形状及其所带基团对絮凝剂的活性都有影响。一般来讲，分子量越大，絮凝活性越 高；线性分子絮凝活性高，分子带支链或交联越多，絮凝性越差；絮凝剂产生菌处于培养后期，细胞表面疏水性增强，产生的絮凝剂活性也越高。处理水体中胶体离子的表面结构与电荷对絮凝效果也有影响0〕。一些报道指出，水体中的阳离子，特别是Ca”、Mg2+的存在能有效降低胶体表而负电荷，促进“架桥”形成。另外，高浓度C/+的存在还能保护絮凝剂不受降解酶的作用【26]。微生物絮凝剂絮凝范围广、絮凝活性高，而且作用条件粗放，大多不受离子强度、pH值及温度的影响，因此可以广泛应用于污水和工业废水处理中［27】。微生物絮凝剂高效、安全、不污染环境的优点，在医药、食品加工、生物产品分离等领域也有巨大的潜在应用价值。 2煤泥水处理技术理论分析2.1煤泥水混凝机理煤泥水混凝的基本原理，是通过向煤泥水屮投加各种混凝剂而使分散胶体颗粒与溶解态絮凝剂间产生固/液相间的化学吸附、电中和脱稳以及粘结架桥作用。同时在流体力学作用下进行强化脱稳颗粒间的碰撞结合，形成大的絮体颗粒而迅速沉降，从而达到加速煤泥水澄清的目的。煤泥水的混凝效能取决于多种因素：混凝剂的物化特性，水力条件，煤泥的性质，水质特性(如水的pH值与碱度，水中各种无机盐，残留有机药剂等)，但通常情况下主要取决于混凝剂的化学作用和混凝时的动力学因素。2.1.1混凝剂的化学作用机理混凝过程则包含了凝聚和絮凝两种过程。凝聚(coagulation)是通过同液相间的吸附电中和脱稳作用使离散胶粒失去稳定性过程；絮凝(flocculation)是通过脱稳胶粒间的碰撞结合形成较大絮体颗粒的过程oO9Melia在总结长期以来许多研究者所提出的混凝作用机理后，认为混凝过程中主要存在以下四种作用机理：①压缩双电层；②吸附电中和作用；③粘结架桥；④网捕卷扫。如上文所述，由于煤泥水特殊的物化性质，本试验通过联合使用凝聚剂和絮凝剂，强化混凝效能，以提高煤泥水澄清的效果。混凝剂加入煤泥水中，带正电荷的电解质吸附到微粒的表面，中和其表面的负电荷，压缩其双电层，g电位绝对值将随Z下降，克服了微粒间的静电斥力，使之脱稳，由范德华引力引起微粒相互聚结变大，形成微絮体。微絮体通过絮凝剂的吸附架桥作用进一步形成较大的絮体颗粒。因此，混凝剂的加入能够使煤泥水中细微颗粒物脱稳，通过桥联作用形成絮团，加快了煤泥的沉淀速度，提高了出水澄清度，它是煤泥水处理的关键步骤。2.1.2煤泥水混凝动力学因素在煤泥水处理过程中，合适的水力条件对混凝效能影响很大，它能够控制微小粒子的碰撞几率，彼此聚集，形成絮团。混凝剂通过管道加入到煤泥水中，管道中主要存在着五种作用力：①布朗运动；②颗粒间的沉速差界；③层流剪切；④紊流剪切；⑤紊流惯性碰撞。煤泥水在管道中流速很快，雷诺准数Rc很高，能产生很强的紊流剪切力，因此，其它四种作用力可以忽略不记。药剂进入煤泥水 中，在合适的水力条件下，药剂很快就充分分散到细微颗粒中，脱稳后的细粒子相互碰撞，有的粒子能够克服其能垒，黏结在一起，形成微絮团，微絮团相互碰撞，部分通过絮凝剂的桥联作用，进而形成大絮团。因此，混凝过程可分为三个步骤，其过程见图2.1图2.1混凝过程在这过程中，紊流剪切力是颗粒之间相互碰撞、黏结成团的主要能量提供者。寻找出合适的紊流剪切力、混凝时间是十分必要的。如果紊流剪切力太小，混凝时间太短，药剂就不能充分分散到颗粒屮，不能提供足够的能量克服其能垒凝聚;紊流剪切力太强、混凝吋间太长，形成的大絮团容易被剪切破碎，混凝效果恶化。而在现场管路中流体流速基木固定，因此紊流剪切力基木固定，所以，只有通过确定合适的加药点来控制混凝时间，寻找出较理想的混凝效果：药剂能够与颗粒充分接触，形成微絮体，进而形成大絮体，但大絮体不被剪切破坏。2.2煤泥水处理影响因素分析在生产实践过程中，影响絮凝的因素很多如煤泥水浓度、凝聚剂和絮凝剂的种类、加药量、pH值、温度、搅拌速度和搅拌时间等。(1)凝聚剂和絮凝剂的选择：凝聚剂和絮凝剂的选择对混凝效果的影响是最大的，属于影响混凝效果的很重要的因素。一种凝聚剂可能对某些体系有效，而对另外一些体系无效，这是由混凝剂本身的性质所决定的，所以在废水的物化处理中混凝剂的选择最为重要。考虑到价格低、来源广、易储存、无污染等因素,我们择优选取聚合氯化铝、三氯化铁、无水氯化钙三种凝聚剂；三种絮凝剂：聚丙烯酰胺、聚丙烯酸以及聚丙烯酰胺水解物。(2)药品用量：在一定条件下有一个最佳絮凝剂用量，也就是获得最大沉降速度和最好的上清液澄清度的用量。超过最佳用量，会降低絮凝剂的利用率。最佳用量不易预测，因它不仅与离子类型及离子度有关，还与絮凝剂的分子量有关。分子量越高，最佳用量也越大，但获得的沉降速度也较快。（3）煤泥水浓度：煤泥水浓度的增加，絮凝剂用量迅速增加，增加速度大于 煤泥水浓度的增加速度。与此同时，絮团的沉降速度迅速减小，这是因为煤泥水浓度越高，粘度越大，干扰作用越强，当煤泥水浓度增加到其容重接近于絮团的容重时，絮团的干扰沉降状态被一种压缩挤压过程所取代，絮团和下部的水在重力作用下互相换位，这种状态下，沉降速度极其缓慢，澄清水量很少。（4）pH值：这是重要的影响因素之一，首先pH值影响固体颗粒表而的电位。煤或岩石颗粒的等电点（即E电位等于零时矿浆的pH值，约4〜5）,所以在太高或太低的pH值时，絮凝都是困难的，絮凝剂的用量都会增加，因为表面电荷高，则颗粒距离远，絮凝剂对颗粒的桥联点减少，吸附在单个颗粒的絮凝剂分子增加。煤泥水的pH值还影响絮凝剂分子的离子度和伸展程度，因此，直接影响絮凝剂的用量和絮凝效果。（5）搅拌速度和时间：所有絮团都能被速度的剪切力所破坏，并且不易重新絮凝，这是因为，若悬浮液中存在过剩的絮凝剂，它会吸附到絮团破损后的新表面上，这样由于过量絮凝剂分子被吸附而产牛排斥力，使絮团更难重新形成。 3煤泥水处理实验研究3.1实验设备、仪器及实验药品3.1.1实验设备和仪器本实验所用到的实验设备和仪器见表3.1表3.1实验设备和仪器名称规格/型号生产厂家托盘天平JPT-1江苏常熟衡器厂分析天平TG328B上海精密科学仪器有限公司分光光度计721上海精密科学仪器有限公司电光分析天平TG-328B上海天平仪器厂六联混凝搅拌仪JJ-4常州国华电器有限公司真空泵RD-2型上海博尔康真空电子有限公司布氏漏斗抽虑瓶锥形瓶250mL量筒500mL烧杯lOOOmL3.1.2实验药品木实验所用到的实验药品见表3.2表3.2实验药品名称规格生产厂家盐酸分析纯太原化肥厂化学试剂厂氢氧化钠分析纯天津市北辰方正试剂厂无水氯化钙分析纯天津市化学试剂三厂三氯化铁分析纯天津市化学试剂一厂聚丙烯酰胺分析纯天津市化学试剂三厂聚合氯化铝分析纯北京西中化工聚丙烯酸分析纯太原市晋源化学试剂厂3.2煤泥水处理效果考察指标木实验对煤泥水处理效果进行考察比较，选用的考察指标主要有三个即上清 液的浊度、浊液面沉速和污泥的污泥比阻。3.2.1上清液浊度浊度是由于水屮含有泥沙、粘土矿物、有机物、无机物、浮游生物、微生物等所造成的，可使光散射或吸收。浊度是评价水体质量的一个重要指标，它能间接反映悬浮物的含量。测定水样浊度可用分光光度法、目视比浊法或浊度计法。此处采用的是分光光度法。（1）实验原理在适当的温度下，硫酸阱与六次甲基四胺聚合，生成白色高分子沉淀，以此作为浊度标准液，在一定的条件下与水样浊度相比较。（2）实验作用试剂①无浊度的蒸镭水；②硫酸月井（（NH2）2SO4・H2SCU）溶液：10mg/mL；③六次甲基四胺（（CN2）6N4）溶液:100mg/mL；④浊度标准溶液：分别吸取5.00mL硫酸脐溶液和5.00mL六次甲基四胺溶液于100mL容量瓶中，混匀。于25°C下静置反应24h,用水稀释至标线。此浊度为400度。（3）测定方法①标准曲线的绘制向7支50mL的比色管中分别加入0,0.50,1.25,2.50,5.00,10.00,12.50mL浊度标准液，加蒸谓水至标线，摇匀后即得到浊度为4,10,20,40,80,100的标准系列，在680nm波长中用lcm的比色皿，以蒸馆水做参比，测量各溶液吸光度,结果见表3.3。表3.3浊度标准曲线数据表浊度0410204080100吸光度0.0000.0060.0130.0260.0520.1060.130标准曲线回归方程：y二0.00131X+0.0013相关系数：r=0.9999绘制浊度与吸光度之间关系的标准曲线，以吸光度作为纵轴，相对应的浊 度作为横轴，绘制标准曲线见图3.1 80604020000.020.040.060.080.10.120.14吸光度图3.1浊度标准曲线图①水样的测定吸取50.0mL摇匀水样于50mL比色管中，按绘制标准曲线步骤测定吸光度，由标准曲线上查得水样浊度。3.2.2浊液面沉速采用浊液面静水沉淀实验，具体方法如下：①按要求配制凝聚剂药品溶液和絮凝剂药品溶液；②釆用坐标纸制成纸带，附于lOOOmL烧杯外壁上，并以液面为原点，单位为mm,方向向下建立纵坐标系。本实验所用烧杯的纵坐标总高度为50.0mm；③将搅拌均匀的煤泥水样取500mL置于准备好的lOOOmL锥形瓶中，并置于六联混凝搅拌仪上，按照正交实验表的安排，调节搅拌速度，按顺序加入事先配置好的药液，开始计时；@计时完毕后，立刻将量筒竖立于垂直的口光灯前，并立即启动秒表计时；⑤每经过10s记录一次浊液面的下降位置，开始时按10s间隔记录，待浊液面接近压缩区时，再按20s间隔记录，直至沉淀物的体积不发生明显变化时为止，由此可计算出浊液面的沉速。3.2.3污泥比阻(1)实验原理污泥比阻是表示污泥过滤特性的综合性指标，它的物理意义是：单位质量的污泥在一定压力下过滤时在单位过滤面积上的阻力。求此值的作用是比较不同的 污泥(或同一污泥加入不同量的混合剂后)的过滤性能。污泥比阻愈大，过滤性能愈差。 dV_pF_pF过滤时滤液体积V(mL)与推动力p(过滤时的压强降，g/cm2),过滤面积F(cm2),过滤时间t(s)成正比;而与过滤阻力R(cms2/mL),滤液黏度g[g/(cm-s)]成正比。i(3-1)过滤阻力包括滤渣阻力Rz和过滤隔层阻力Rg构成。而阻力只随滤渣层的厚度增加而增大，过滤速度则减少。因此将式(3・1)改写成微分形式。dV_pF〃山忆+Rg)(3_2)由于只Rg比Rz相对说较小，为简化计算，姑且忽略不计。式中：—单位体积污泥的比阻；8——滤渣厚度；C，——获得单位体积滤液所得的滤渣体积。如以滤渣干重代替滤渣体积，单位质量污泥的比阻代替单位体积污泥的比阻,则(3・3)式可改写为式中，a为污泥比阻，在CGS制中，其量纲为s?/g,在工程单位制中其量纲为cm/go在定压下，在积分界线由0到/及0到7内对式(3・4)积分，可得tuaCrz—=——•VV2矿(3-5)式(3・5)说明在定压下过滤，t!V-与7成直线关系，其斜率为V2pF2 (3-6) 需要在实验条件下求岀方及c。b的求法。可在定压下(真空度保持不变)通过测定一系列的/〜？数据，用图解法求斜率(见图3.2)。C的求法。根据所设定义C=(go)C(3-8) 上述求C值的方法，必须测量滤饼的厚度方可求得，但在实验过程中测量滤饼厚度是很困难的且不易量准，故改用测滤饼含水比的方法。求C值。 C=100-C,100-0@滤饼干重/mL滤液）GCf式中Ci——lOOg污泥中的干污泥量；Cf—lOOg滤饼中的干污泥量。例如污泥含水比97.7%，滤饼含水率为80%。C=r~~—=—-—=0.0260（g/mL）100-2,3100-2038.482320一般认为比阻在IO?〜10,0s2/g的污泥算作难过滤的污泥，比阻在（0.5〜0.9）-109s2/g的污泥算作中等，比阻小于0.4109s2/g的污泥容易过滤。投加混凝剂可以改善污泥的脱水性能，使污泥的比阻减小。对于无机混凝剂如FeCl3,A以SO/等投加量，一般为污泥干质量的5%〜10%高分子混凝剂如聚丙烯酰胺，碱式氯化铝等，投加量一般为干污泥质量的1%。（2）实验设备与仪器①实验装置如图3.31-真空泵；2-真空表；3-真空调节阀；4-抽滤瓶；5-布式漏斗图3.3比阻实验装置图②秒表；滤纸。③烘箱。④布氏漏斗。（3）实验方法与操作步骤①测定污泥的含水率，求出其固定浓度G。 ②配制凝聚剂药品溶液和絮凝剂药品溶液。③在布氏漏斗上(直径65〜80mm)放置滤纸，用水润湿，贴紧周底。润湿前称取布氏漏斗所用滤纸的质量：mi。④开动真空泵，调节真空压力，大约比实验压力小1/3［实验时真空压力采用266mmHg(35.46kPa)或532mmHg(70.93kPa)］关掉真空泵。⑤把污泥经过带有滤纸的漏斗过滤，至污泥表面无明显水斑为止，取出滤纸和污泥放入干燥的蒸发皿中称量其质量H13；加入实验的污泥于布氏漏斗中，称量滤纸和蒸发皿质量im；开动真空泵，调节真空压力至实骑压力；达到此压力后，开始起动秒表，并记下开动时计量管内的滤液体积。⑥每隔一定吋间(开始过滤时可每隔10s或15s,滤速减慢后可隔30s或60s)记下计量管内相应的滤液量。⑦一直过滤至真空破坏，关闭阀门取下滤饼和布氏漏斗所用的小滤纸，放在一干燥的大滤纸上称量其质量U15,在此之前要称量干燥大滤纸的质量m2。⑧称量后的滤饼置于105°C的烘箱内烘干2个小时后称量滤饼，小滤纸和大滤纸的质量015。⑨计算出滤饼的含水比，求出单位体积滤液的固体量Co。(4)注意事项①检查计量管与布氏漏斗之间是否漏气。②滤纸称量烘干，放到布氏漏斗内，要先用蒸憾水湿润，而后再用真空泵抽吸一下，滤纸要贴紧不能漏气。③污泥倒入布氏漏斗内时，有部分滤液流入计量筒，所以止常开始实验后记录量筒内滤液体积。④污泥中加混凝剂后应充分混合。⑤在整个过滤过程中，真空度确定后始终保持一致。3.3沉降药剂的选择3.3.1凝聚原理及凝聚剂的选择(1)凝聚 由于煤泥水中细小的固体颗粒表面常有剩余电荷(而且相同的I占I体颗粒带有相同的电荷)，因而在固一液界而上存在一定的电位差，为了消除电位差使整个I古I体颗粒处于电中性状态，在I古I体外围吸咐了一定数量的反号离子，这就是所谓的双屯层结构。对于单个颗粒，由于双屯层的存在使其呈屯屮性，因而在一定距离以外没有电场作用，但是当两个颗粒相互靠近时，根据库仑定律，它们之间将产牛斥力，特别是当两个颗粒双电层产牛重叠时，重叠之处的反号离子同时处于两个颗粒的作用范围之内，使原有的平衡状态受到破坏，重叠区的反号离子将重新平衡分配，当重叠区内的离子浓度高于其它部位，结果引起离子向非重叠区渗透。另外，双屯层的重叠破坏了原有屯平衡，出现了附加静屯不平衡力，渗透力与静电力综合作用的结果，使两个颗粒不能继续靠近，产生排斥现象，正是这种排斥现象的产牛才使煤泥水中固体颗粒保持相对分散状态而难于自然沉降。因为这种分散是由于固体颗粒表面的电荷引起的，所以我们自然就想到往煤泥水中加入某种电解质，通过电解质在水中电解产生的离子去消除固体表而电荷、压缩双屯层，从而达到减小其至消除相同固体颗粒Z间的相互排斥作用而使其凝结成块，这就是所谓的凝聚过程，而其中的电解质则称为凝聚剂。(2)凝聚剂的选择常见的凝聚剂有很多种，如石灰、硫酸铝、氯化钠、无水氯化钙、聚合氯化铝、三氯化铁、碱式氯化铝等等。在选煤厂，合理地选择质优价廉的凝聚剂会对煤泥水的沉降起到事半功倍的效果。考虑到价格低、来源广、易储存、无污染等因素,我们在实验室择优选取三氯化铁、聚合氯化铝、无水氯化钙三种凝聚剂。为了考察这三种药剂对煤泥水沉降所起效果的好坏，我们对相同用量的三种药剂作了上清液浊度和结成絮体效果对比实验，实骑用煤泥水体积浓度均为20g/L,体积均为lOOmL；凝聚剂重量浓度均为5g/L,体积均为10mL。结果如表3.4所示表3.4三种凝聚剂混凝效果对比药剂上清液浊度/UTN结成絮体效果三氯化铁121较好聚合氯化铝114好无水氯化钙216一般从表3.4可以看出，在相同的条件下，加入聚合氯化铝的煤泥水其上清液的浊 度最小，结成的絮体效果也最好，因此我们不难得出结论：聚合氯化铝是一种使用效果相对较好的凝聚剂。3.3.2絮凝原理及絮凝剂的选择（1）絮凝原理在煤泥水中加入具有较长线性分子结构的高分子化合物，这些高分子化合物在水中发牛电离作用并通过静电键合、氢键合、共价键合等作用与煤泥水的固体颗粒发生吸附作用。由于这些线性化合物分子结构通常很长（例如聚丙烯酰胺的每个分子长度达315Lm）,因此通常可以同时粘结几个颗粒，从而引起颗粒的聚集，这个过程就叫做絮凝，而其屮的高分子化合物就叫做絮凝剂。（2）絮凝剂的选择同样考虑到价格、来源、污染性等因素，我们选取最常用的3种絮凝剂：聚丙烯酰胺、聚丙烯酸以及聚丙烯酰胺的水解产品作相同用量的煤泥水沉降对比实验（结果如表3.5所示），实验用煤泥水体积浓度均为20g/L,体积均为lOOmL；絮凝剂重量浓度均为lg/L,体积均为10mL。表3.5三种絮凝剂混凝效果比较药剂lOmin上清液浊度24h上清液浊度结成絮体效果聚丙烯酰胺3221较好聚丙烯酸7440差聚丙烯酰胺水解产品1911好从表3.5可以看出，在相同的条件下，加入聚丙烯酰胺水解物的煤泥水其上清液的浊度最小，絮体效果也最好，因此我们不难得出结论：聚丙烯酰胺水解物是一种使用效果较好的絮凝剂。3.3.3絮凝剂和凝聚剂的联合使用由于絮凝剂与凝聚剂对煤泥沉降所起作用的基理完全不同，因而我们自然想到能否采用二者联合使用以进一步提高煤泥水澄清效果。在二者联合使用过程屮一个新出现的问题就是加药顺序，加药顺序共有三种：先加凝聚剂稍后加絮凝剂;先加絮凝剂稍后加凝聚剂、二者同时加入。为了选择合适的加药顺序，我们做了不同加药顺序煤泥水沉降效果的对比实验（结果如表3.6所示）。实验用煤泥水体积浓度均为20g/L,体积均为lOOmL,絮凝 剂、凝聚剂重量浓度分别为lg/L和5g/L,体积分别为5mL和10mL；加药间隔60s,沉降时间lOmino 加药顺序先加絮凝剂先加凝聚剂两者同时加上清液浊度191317结成絮体效果较好好较好从表3.6的结果可以看出，絮凝剂和凝聚剂联合使用时，合理的加药顺序是先加凝聚剂后加絮凝剂，另外，从表3.5和表3.6沉降时间为lOmin的煤泥水浊度对比可以看出，药剂联合使用的沉降最佳效果（浊度为13UTN）比单独使用絮凝剂的最佳效果（浊度为19UTN）要好得多。我们从凝聚剂、絮凝剂单独作用原理可以知道，Z所以先加凝聚剂后加絮凝剂的效果好，主要是因为这种加药顺序充分地发挥了两种药剂的作用，W：先加凝聚剂消除颗粒表面电荷，压缩双电层，从而使整个体系解稳，进而再加入絮凝剂通过桥键作用使颗粒充分聚集，从而加速颗粒的沉降，提高了煤泥水的澄清效果。3.4正交实验设计正交实验设计过程：（1）确定实验因素及其水平，列出因素水平表见表3.7表3.7因素水平表水平A凝聚剂用量/mLB絮凝剂用量/mLC搅拌速度/r/minD搅拌时间/minEpH值140404016260608027380801204841001001606（2）选用合适的正交表根据因素、水平及需要考察的交互作用的多少来选择合适的正交表。选用正交表的原则是：既要能安排下实验的全部因素（包括需要考查的交互作用），又要使部分水平组合数（处理数）尽可能地少。此止交实验各因素的水平数不相同，这就是混合水平的多因素实验问题，解决此类问题的常用方法有两种，一是直接利用混合水平的正交实验表；二是拟水平法，即把水平数不同的问题化 成水平数相同的问题来处理。本实验是4个因素的正交实验，其中因素E是3水平的，因素A、B、C、D是4水平的，这种情况没有合适的混合水平正交实验表，我们采用拟水平法，把E因素变成4水平，一般来讲，都是根据实际的经验，选取一个较好的水平，此处我们选取第2水平作为第4水平，这样因素水平表就变成表3.8的样子，它比表多了一个虚拟的第4水平(用底纹把它标起来)表3.8变化后的因素水平表因素水平A凝聚剂用量/mLB絮凝剂用量/mLC搅拌速度/r/minD搅拌时间/minEpH值1404040162606080273808012048410010016067此时，我们就可以选用厶6(举)正交表。(3)表头设计表头设计就是把挑选出的因素和要考察的交互作用分别排入正交表的表头适当的列上。此实验不考察交互作用，各因素可随机安排在各列上。(1)列出实验方案把正交表屮安排因素的各列(不包含欲考察的交互作用列)屮的每个数字依次换成该因素的实际水平，就得到一个正交实验方案，见表3.9表3.9正交实验方案因素实验号1凝聚剂投加量(mL)2絮凝剂投加量(mL)3搅拌速度(r/min)4搅拌时间(min)5pH11(40)1(40)1(40)1(1)1(6)21(40)2(60)2(80)2(2)2(7)31(40)3(80)3(120)3(4)3(8)41(40)4(100)4(160)4(6)4(7)52(60)1(40)2(80)3(4)4(7)62(60)2(60)1(40)4(6)3(8)72(60)3(80)4(160)1(1)2(7)82(60)4(100)3(120)2(2)1(6) 续表3.9正交实验方案实验号因素1凝聚剂投加量(mL)2絮凝剂投加量(mL)3搅拌速度(r/min)4搅拌时间(min)5pH93(80)1(40)3(120)4(6)2(7)103(80)2(60)4(160)3(4)1(6)113(80)3(80)1(40)2(2)4(7)123(80)4(100)2(80)1(1)3(8)134(100)1(40)4(160)2(2)3(8)144(100)2(60)3(120)1(1)4(7)154(100)3(80)2(80)4(6)1(6)164(100)4(100)1(40)3(4)2(7)3.5实验步骤及流程3.5.1实验流程图木正交实验流程见图3.4图3.4实验流程图3.5.2实验步骤(1)煤泥水配置：取少量家用蜂贯煤，研磨后，用200目筛子筛分研磨后的煤粉。用筛分后的细煤粉和蒸憾水配置煤泥水水样，质量浓度为20g/Lo(2)调节煤泥水pH值：因正交实验的需要，需把煤泥水pH值调至6或8,为尽量减少对煤泥水离子组成的影响，采用氯化钠和氢氧化钠调节水样的pH值。(3)凝聚剂和絮凝剂药品的配置：聚合氯化铝5g/L；聚丙烯酰胺lg/L。(4)按照正交实验方案加入药品，搅拌，测定浊液面沉速。(5)取上清液，用分光光度法，测定水样的吸光度，并换算成浊度。(6)取污泥，测定污泥的污泥比阻。 4实验结果及分析4.1浊液面沉速实验结果按照322所述浊液面沉速测定方法，得浊液面沉速的相关数据，见表4.1表4.1浊液血沉速测定表实验号-相应时间内浊液面的下降高度/mm浊液面沉速mm/s10s20s30s50s1162834380.92172836400.953152633390.94142429310.755142530320.8671215170.47111923250.68142428320.89223746491.210183042461.011132127290.712132228320.7513152531330.814132127290.751571215170.41681417200.454.2上清液浊度实验结果按照321所述上清液浊度测定方法，得上清液的吸光度和浊度的相关数据,见表4.2表4.2上清液浊度测泄表实验号吸光度浊度10.021520.0251930.021540.0483750.0430 60.0753续表4.2上清液浊度测定表实验号吸光度浊度70.0554280.0382990.0086100.019110.04937120.04534130.03627140.04635150.06549160.06454.3污泥比阻实验结果431C值的测定按照3.2.3所述污泥比阻测定方法屮C值测定的实验方法，进行实验，在实验过程中需记录的数据如下：①布氏漏斗所用滤纸的质量：加]②烘干滤饼时所用滤纸质量：加2③蒸发皿+大滤纸+污泥：加3④蒸发皿+大滤纸+剩余污泥:/H4⑤大滤纸+小滤纸+滤饼：叫⑥蒸干后大滤纸+小滤纸+滤饼：加6⑦污泥质量M]=加§-m4⑧滤饼质量M2=m5-m,-m2⑨蒸干后滤饼质量M3=m6--m2f_dc严饼干重应滤液）GC/ Ci为100g污泥中的干污泥量；C/^JlOOg滤饼中的干污泥量，实验数据记录见表4.3 实验m2加4加6m2陆Gc「c10.3331.41667.55745.80713.7509.69421.7512.0017.94536.52856.2030.512903311.41373.70041.61815.98510.06932.08214.241&32525.94558.4580.46830.3381.41473.50446.08916.60510.55327.42414.8538.80132.09259.2540.70040.3231.42073.32943.44417.65210.99229.88515.8999.23930.91558.1110.66150.3181.39668.84645.06414.8029.39723.78013.0887.68332.30958.7030.718603341.42071.93349.67313.4779.05922.2611.7237.29632.77662.2360.692703161.42764.89041.86016.46310.77523.03014.7209.03239.21861.3590.95380.3261.43770.27044.21616.16810.53626.05414.4058.77333.67260.9020.753903191.42675.8004639516.25410.00329.40514.5098.25828.08456.9160.554100.3111.42768.95243.53616.05110.24025.41614.3118.50233.45159.4090.766110.3241.44572.784453221531310.03527.46213.5448.26630.09961.0310.5941203271.44671.61443.39016.16210.24028.22414.3898.46729.99858.8440.612130.3191.45775.56743.98816.88010.59931.57915.1048.82327.9395&4150.535140.3231.43672.70345.182153559.94427.52113.5968.18529.74160.2020.586150.3181.43478.15549.63215.1649.92528.52313.5068.17328.65460.5140.545160.3201.42280.68346.30616.20210.06234.37714.4608.32024.20257.5380.4124.3.2b值的确定真空泵恒压抽滤，记录时间和相应时间内滤液的体积，并通过图解法求b,结果见表4.4表4.4bff［测定表实验号-相应时间内滤液体积/mLb5s10s30s60s120s180min1591213.514.5150.914824.5810.512.51313.51」1373479101212.51.4501446.58.5101111.51.705554791011.5121.572464.58.51011.51212.51.377873.56.58.59.51010.51.870084.57.51011.51212.51.366095.5101214.515.5160.842104.58.51011.512.512.51.3312115910.512.51313.51.2142125.59.5111213.5141.2691136101214.515.5160.86631459111213.5141.171115610.51214.51616.50.8156 166.511131517.5180.7403 4.3.4污泥比阻a由公式3・6得q=一=K—其中〃为过滤时的压强降，/?=135g/cm2,F卩CC为过滤面积，尸=命2=51.84(cm2)；〃为滤液黏度，此处滤液的黏度可以近似选取相同温度下水的黏度来代替，因在实验室条件下水的温度变化不大，故此处取其中儿次实验温度的平均值，为18°C,此温度下水的黏度“=1.059x1(y3[g/(cm・s)],污泥比阻的测定值见表4.5表4.5污泥比阻Q测定表实验号C值殖污泥比阻G